CC BY
156
УДК 621.002.3 ББК 35.719.
ИССЛЕДОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ СВОЙСТВАМИ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ В ПРОЦЕССЕ ИХ ФОРМИРОВАНИЯ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ИЗНОШЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ И ПРИДАНИИ ИМ АНТИФРИКЦИОННЫХ СВОЙСТВ
А.В. Стукач1
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики
192171, Санкт-Петербург, ул. Седова 55/1
Рассмотрено влияние температурно-временного фактора на стадии изготовления подшипника на прочность полимерной матрицы и триботехнические характеристики антифрикционного слоя. Построены зависимости роста прочности полиамидного покрытия от температуры спекания. Установлено, что покрытия, сформированные при температуре 200 оС, имеют наименьшие значения коэффициента трения. Построены зависимости агдезионой прочности от температуры нанесения покрытия.
Разработана методика расчётного определения остаточных напряжений в полимерных антифрикционных покрытиях, формирующихся при высокой температуре на металлических поверхностях
Ключевые слова: антифрикционные покрытия; полиамиды; прочность; адгезия; остаточные напряжения; релаксация; температура
Технология получения и использования покрытий из дискретных полимеров относится к области высоких технологий, которым отдается предпочтение на стадии подъема отечественной экономики. Ориентация на порошковые полимерные материалы позволяет обеспечить высокое качество восстановления изношенных поверхностей деталей. В качестве исходных материалов применяются полиамиды различных марок, капрон, поликапролактам и др..
Основным критерием работоспособности восстановленных поверхностей считается наличие прочной адгезии между покрытием и подложкой [1,2]. Для успешной реализации преимуществ заложенных в полимерных покрытиях, необходимо уделять должное внимание условиям формирования полимерного слоя. Нанесение покрытий на предварительно нагретую деталь является одним из самых распространенных методов образования металлополимерных соединений. Однако это утверждение нельзя признать окончательно правильным, поскольку при наличии высокой адгезии покрытия могут обладать низкой износостойкостью в случае если эта
поверхность выполняет функцию тонкослойного подшипника скольжения, что практически сводит к нулю очень весомые достоинства такие как, хорошая технологичность изготовления, улучшенный теплоотвод, способность воспринимать большие нагрузки, стабильные монтажные зазоры и пр. В тоже время известно, что слабым местом композиционных материалов созданных на основе пластмасс, является полимерная матрица. Следовательно, наряду с необходимостью обеспечения высокой адгезии покрытий необходимо придание им высокой прочности и износостойкости.
1. Особенности формирования антифрикционных свойств покрытий
Рассмотрим влияние температурно-временного фактора на стадии изготовления подшипника на прочность полимерной матрицы и триботехнические характеристики антифрикционного слоя.
Так как отсутствует стандарт на испытание полимерных покрытий , регламентирующий требования, которым
должны отвечать образцы для исследований, то прочность полимерной матрицы определялась с помощью специальных образцов, при условии, что образцы для испытаний по своим характеристикам и параметрам должны соответствовать реальным подшипникам скольжения, а условия испытания отражать истинные обстоятельства эксплуатации.
Выбор схемы приложения нагрузки обосновывается следующими обстоятельствами. Нагрузка на образец при статических испытаниях возрастает медленно или плавно и остается постоянной в течение длительного времени. При этом в процессе нагружения образца ускорение движущихся частей испытательной машины настолько мало, что возникающими в них силами инерции пренебрегают.
Напряжения среза при механическом разрушении образцов будут действовать в двух случаях, если образец выполнен в виде полого цилиндра и испытывается на кручение или он представляет собой тонкий диск и продавливается шплинтоном. Изготовление образцов по первому варианту представляет собой определенные трудности не только при его производстве, но и при испытании. Кроме того, в данной ситуации условия испытания не полностью соответствуют условиям работы полимерного материала в подшипнике скольжения. Поэтому, было решено принять для испытания в качестве образцов полиамидные диски толщиной 0,7 - 1,0 мм и диаметром 18 мм. В этом случае толщина образцов будет соответствовать толщине полиамидных покрытий на тонкослойных подшипниках скольжения. А температурно-временной режим их изготовления легко сделать адекватным условиям формирования антифрикционных покрытий для пар трения. В целях оптимизации процесса изготовления образцов были подготовлены кассеты в виде плоских пластин с шестью отверстиями. С одной стороны пластин помещалась тонкая алюминиевая фольга толщиной 0,05мм. и устанавливались
латунные подкладки, которые фиксировались с помощью специальных креплений. Таким образом, с помощью одной кассеты изготавливается сразу шесть образцов. Для термостатирования образцов при повышенных температурах были изготовлены аналогичные кассеты, с помощью которых сразу изготавливается 72 образца при абсолютно идентичных условиях. Чертеж кассетных приспособлений для изготовления образцов представлен на рис.1.1., а внешний вид показан на рис. 1.2.
Рисунок 1.1 - Кассетное приспособление (конструктивная схема): 1
- кассета; 2 - образец; 3 - фольга; 4
- латунная пластина; 5 - крепления
Для создания в образцах напряжений среза было создано специальное приспособление, которое позволяло фиксировать полимерный диск и обеспечивало строго перпендикулярное движение пуансона. Кондуктор состоит из корпуса, выполненного в виде полого ступенчатого цилиндра 1. Внутрь которого, коаксиально устанавливаются испытуемый образец 2 и матрица 3. Пуансон 4 помещается в корпус и перемещаясь вдоль своей геометрической оси продавливает образец. Усилие продав-ливания регистрируется измерительным устройством.
Кондуктор и схема разрушения образца схематично показаны на рис 1.3.
Использование кассетных матриц позволило увеличить точность проводимого эксперимента, т.к. в этом случае значение предела прочности определялось как среднеарифметическое шести разрушенных образцов. Таким образом, изготовление шести образцов в
одной матрице соответствовало получению одной точки на графике.
Рисунок 1.2 - Кассетное приспособление (внешний вид)
Рисунок 1.3. - Кондуктор для закрепления и испытания образцов: 1 - корпус; 2 -образец; 3 - матрица; 4 - пуансон
Для получения высокой точности в определении численных значений зависимостей производили эксперимент при шести различных температурах спекания: 200, 230, 260, 290, 320, 350 °С. Время нахождения образцов в печи фиксировалось с помощью секундоме-
ра. Стабильное значение температуры в печи обеспечивалось специальным микропроцессором и принудительной вентиляцией рабочего пространства, что обеспечивало разницу температуры в любой точке не более 2 оС.
После проведения серии экспериментов были получены данные, необходимые для проверки выдвинутых предположений. В общей сложности получили по 12 точек на каждую зависимость при различных температурах. Исключение составили исследования выполненные при температуре 200°С. Была экспериментально получена 21 точка. Таким образом, было подвергнуто разрушению более 480 образцов. Эксперимент был воспроизведен трижды и только после этого перешли к следующему этапу исследований.
Полученные опытным путем данные, позволили обнаружить, во -первых, что при разных температурах спекания достигаются практически одни и те же значения максимальной прочности полимера для каждой конкретной марки материала. Во-вторых замечено что прочность полимерной матрицы при всех рассмотренных температурах спекания проходит два этапа. Сначала она растет, достигнув максимальных значений, начинает снижаться. С практической точки зрения этап падения прочности представляется не интересным, поэтому рассмотрим более подробно только рост прочности. На рис. 1. 4 показаны линейные зависимости роста прочности полиамидной смолы П-6/66.
Уравнения прямых прочность -время, для разных температур спекания приведены ниже:
при г = 350 оС: ов = 2,4048г; (1.1);
при г =320 оС: Ов = 1,6993г; (1.2)
при г =290 оС: ов = 1,4033г; (1.3)
при г =260 оС: Ов = 1,0753г; (1.4)
при г =230 оС: ов = 0,8654г; (1.5)
при г =200 оС: Ов = 0,3885г; (1.6)
С практической точки зрения представляет большой интерес установление связи технологических режимов
изготовления подшипников и их триботехническими свойствами.
учетом калибровочного коэффициента к\, коэффициент трения можно определить по формуле
Графики роста прочности во времени при^
нйя= ^, (17)
температурах спекания N
где г - плечо силы, N - нагрузка.
Технология приготовления
об-
Рисунок 1.4 — Графики зависимости роста прочности от времени для разных температур спекания полиамида П-6/66-3
В связи с этим были испытаны полимерные покрытия, полученные при разных температурах плавления, соответственно 200 оС и 350 оС полиамида марки П - 6/66-3 Изучалось трение полиамидов по стали без смазочного материала. Использовался полиамид, который в исходном состоянии представлял собой гранулированный порошок со средним размером частиц (60+52) мкм.
Испытания проводились на специальном трибометре по схеме неподвижный образец - подвижное кольцо. Определение коэффициента трения производится следующим образом. В процессе трения, сила постоянного электрического тока, потребляемого электромотором пропорциональна механическому моменту M, возникающему на валу. (Момент, возникающий на валу можно откалибровать по эталонному динамометру). Электрический сигнал ^ пропорциональный механическому моменту на валу электромотора подается на вход самописца ПДП - 007. Таким образом, с
разцов для исследования триботехниче-нтифрикционных мате-
рживалась в строгом соот-с процессами изготовления деталей подшипников сколь-
ения принятыми на многих отечест-аводах. Все подготовительные и температурно-временные изготовления соответствуют и вновь изготавливаемых де-лей и восстановлению изношенных.
В течение опыта на самописце записывались изменения коэффициента трения во времени (рис. 1.5).
а)
б)
Рисунок 1.5 - Временные зависимости изменения коэффициента трения: а) при температуре изготовления при 350 оС; б) при температуре спекания 200 оС
Экспериментально установлены более низкие значения коэффициента трения образцов изготовленных при температуре 200 оС по сравнению с образцами сформированными при 350 оС.
Таким образом, проведенные исследования позволили установить аналитические зависимости, описывающие рост прочности полиамидных покрытий под воздействием температурновременного фактора и показали, что покрытия, сформированные при температуре 200 оС, имеют меньшие значения коэффициента трения.
2. Испытание адгезии антифрикционных покрытий
Поскольку степень нагрева подложки перед нанесением оказывает существенное влияние на качество закрепления слоя, предстояло установить оптимальную температуру ее предварительного нагрева. Известно, что перед нанесением полимерного слоя, покрываемые поверхности подвергают различного вида обработкам, в частности, рекомендуют для обеспечения максимальной адгезии, обдувать их мелкими гранеными частицами повышенной твердости. Степень шероховатости обработанной дробеструйным методом поверхности, во многом зависит от ее первоначального состояния.
Применительно к антифрикционным покрытиям, которые в процессе работы находятся не только под воздействием сил трения, но и действием внутренних напряжений, наиболее близкое к условиям эксплуатации нагружение обеспечивается при испытании адгезии на отрыв. С учётом этого данный метод был принят при исследовании влияния технологических и эксплуатационных факторов на адгезионную прочность полиамидов и композиций на их основе.
Для испытания были подготовлены образцы, при этом технология их изготовления полностью соответствовала режимам изготовления реальных деталей подшипников скольжения. В качестве покрытий использовались материалы, находящие в настоящее время наибольшее распространение, в качестве антифрикционных покрытий - полиамидная смола П - 54, П - 6/66, П - 68, капролон, П - 6/66 модифицированая фуллереном С60.
Принципиальная схема оборудования для испытания адгезионной способности антифрикционных покрытий методом отрыва штифтов представлено на рис. 2.1, а внешний вид показан на рис. 2.2.
Оно состоит из считывающего и запоминающего устройства 1, цифрового мультиметра 2, регулируемого источника электрического тока 3, специ-
ального нагружающей установки 4 и резервуара 5.
___I-1_ I I I * * Ч __
//////////////////////
Рисунок 2.1 - Принципиальная схема испытательного оборудования
Нагружающее устройство, показанное на рис.2.3, представляет собой сваренную из швеллера неравнобокую П - образную стальную раму 1, в верхней части которой расположен двуплечий рычаг 2 снабженный противовесом 3. В нижней части рамы предусмотрено устройство 4 для помещения в него штифтового образца 5, полимерная поверхность которого контактирует с нагревательным устройством 6.
Рисунок 2.2 - Внешний вид и компоновка оборудования
При помощи тяги 7 штифт образца соединяется с двуплечим рычагом, который имеет возможность совершать колебательное движение за счет шарнира 8. На противоположной от противовеса стороне рычага помещен резервуар 12, в который из бака 9 через кран 10 и трубопровод 11 поступает вода. Под резервуаром расположен стол 13 и концевой выключатель 14.
функциональные группы, которые создают химические, наиболее прочные связи полимера с металлом.
40 « 35
5 30
6 25 5 20
О
О.
с
15
10
№ П Л
гг \ \
у г
240 260 280 300 320 340 360
Температура, град. С
■П-54
П-6/66-3
П-68
Рисунок 2.3 - Принципиальная схема нагружающего устройства
Результаты испытания адгезионной прочности полимеров на образцах подготовленных при разной температуре, в виде графиков приведены на рис.2.4. Их анализ показывает, что значение оптимальной температуры существенно зависит от вида полимера. У более плавках полимеров, например, у смолы П-54 (температура плавления 170
- 175°С) оптимальная температура нагрева образцов оказалась равной 290°С, у смолы П-68 (тепература плавления 220 - 230°С) оптимальная температура нагрева 320°С и т.д. Величина максимальной адгезионной прочности также зависит от вида материала и состава полимерной композиции, С увеличением количества наполнителя начальная адгезионная прочность полиамидных покрытий постепенно уменьшается.
Сравнительно низкая адгезионная прочность, которая отмечается при низких температурах, объясняется повышенной вязкостью расплава, в результате чего он недостаточно хорошо заполняет микронеровности подложки. В связи с этим фактическая площадь соединения полимера с металлом оказывается меньше, чем при оптимальной температуре. Кроме того, при низких температурах не происходит деструкция полимера. В результате не образуются
Рисунок 2.4 - Зависимость изменения адгезионной прочности от температуры предварительного нагрева подложки
Высокие температуры нанесения приводят к интенсивной деструкции полимера, набольшее снижение адгезионной прочности отмечается у полиамида П - 54. Наибольшей прочностью обладает полиамид П - 68. Полиамид, модифицированный углеродным наноматериалом С60, очевидно имеет большую термостойкость в области высоких температур. Это может происходить в связи с тем, что модифицированные полимеры являются сильно структурированными и вследствие этого адгезионные связи остаются более устойчивыми.
3. Кинетика изменения остаточных напряжений в антифрикционных покрытиях и их расчет
Полимерные антифрикционные покрытия формируются на металлической подложке при высокой температуре. Охлаждаясь до нормальной температуры, удерживаемые силами адгезии покрытия, оказываются растянутыми поскольку коэффициент линейного
расширения полимеров примерно в десять раз больше чем у металлов. Напряжения, возникающие в покрытиях, называют внутренними или остаточными. Величина этих напряжений может быть рассчитана с помощью выражения
[3]:
И • Щ3 + НЕ2 (г + Аг) (31)
0 312 (г + А г )Аг 12 ’ { )
где: Е1г Е2 - модули упругости подложки и полимерного покрытия; И - отклонение свободного конца образца; г -толщина положки; Аг - толщина полимерного покрытия; I - длина образца.
Сильное влияние на изменение остаточных напряжений оказывает температурное воздействие. Для создания методики расчётного определения остаточных напряжений, необходимо было выполнить специальные исследования в интервале температур от - 50 до + 120°С. Эксперименты по изучению кинетики нарастания напряжений проводились с использованием консольно закрепленных образцов в специально изготовленном приборе и морозильной Камеры «Синтез» Львовского завода. Холодильная установка позволяет получить и стабильно поддерживать температуру до - 50°С, и осуществлять контроль с помощью и термопар. Первоначально образцы помещались в термокамеру прибора и нагревался до температуры плавления полимера, что соответствует тому состоянию, когда остаточные напряжения могут быть приняты равными нулю. Затем образцы, вместе с прибором, помещали в холодильную установку. Непрерывно осуществляли контроль отклонения свободного конца консоли и изменения температуры. Контроль отклонения образца, производился с помощью специальных датчиков перемещения. На рис. 3.1. представлены зависимости изменения остаточных напряжений от действия температуры, в покрытиях на основе полиамидной смолы П-6/66 без наполнителей и композиций, содержащей 10% порошкового алюминия.
Из приведенных графиков видно, как интенсивно возрастают остаточные
напряжения с понижением температуры. Особое значение, полученные результаты, имеют для строительных и дорожных машин, зачастую работающих в северные районах России, где температура достигает до - 50°С.
-40
40
80 120 Температура, гр^д.С
Рисунок 3.1 - Зависимость изменения остаточных напряжений от действия температуры: 1 - П-6/66 + 10% алюминия; 2 - П-6/66 без наполнителей. Сплошная линия -эксперимент. Пунктирная - расчетная.
Полученные экспериментальные зависимости остаточных напряжений в тонких покрытиях из полиамида показывают, что величина напряжений существенно зависит от применяемых наполнителей, температуры и эксплуатационных факторов, При этом механическое поведение антифрикционных полиамидных покрытий можно рассматривать как изменение во времени остаточных напряжений при заданной деформации. Процессы изменения остаточных напряжений в тонкослойных покрытиях при температурах, рекомендованных для их применения: от - 50 до + 100°С, можно моделировать с помощью схемы, представленной на рис. 3.2.
В модели учитываются упругие и высокоэластические свойства данного полимера, которые зависят от температуры и времени. Соответствующее феноменологическое описание процесса релаксации напряжений при постоянной деформации может быть сделано с помощью выражения [4]:
0
1
_е
с(ї) = є(Ее л + Е1), (3.2)
где: ї - время; п, Е, Е1 - деформационные характеристики физико-
механических свойств полимера. Выражение (3.2) удобнее представить в виде;
с(ї) = се д + с;
Исследование и управление свойствами полимерных покрытий в процессе их формирования при восстановлении изношенных поверхностей и придании им
антифрикционных свойств точности эксперимента время г1 и г2, должно быть достаточно большим по сравнению с продолжительностью охлаждения образца, которое в данных опытах длилось 30 - 40 минут.
Таким образом, сделав измерение остаточных напряжений в начальный момент времени, а затем еще два раза через время г1 и г2, можно с помощью выражений (1 - 7) рассчитать напряжения в любое время.
Коэффициент термического расширения полиамида примерно на порядок больше, чем у стали, поэтому связанное силами адгезии с металлической подложкой полимерное покрытие при охлаждении испытывает остаточные напряжения растяжения. Величина относительной деформации полимера может быть рассчитана по формуле [5]:
(3.3)
где; ц, о - преобразованные характеристики физико-механических свойств с полимера с = Еє ; д = ^є
Рисунок 3.2 - Механическая модель, с помощью которой можно описывать поведение полиамидной смолы и композиционных материалов; Е, Е1, п - деформационные характеристики материала.
Из выражения (3.3) видно, что через какое-то время напряжения в полимере, подвергнутом постоянной деформации, примут постоянное значение о1, обусловленное его высокоэластичными свойствами.
С помощью выражения (3.3) можно получать уравнения для определения ц, о и о1 :
є = (аП аст )(ТПЛ Т),
с(О) = с + С1;
*2 _ С + С(ї2) —С(0) .
д =
1 с + с(*1) — с(0) с(*1)
1п
с + С^ )—с(0)
(3.4)
(3.5)
(36)
где: а(г) и о(г2) напряжения в моменты г1 и г2, а(0) - начальное значение напряжений.
Применительно к данному эксперименту это значение остаточных напряжений в полиамидном покрытии сразу после охлаждения образца. Для
с
пл - ), (3.7)
где: ап и аСТ - коэффициенты термического расширения полимера и стали, ТПЛ - температура, при которой было отмечено полное отсутствие внутренних напряжений, Т - текущее значение температуры.
При известном модуле упругой деформации с помощью выражений (3.1 и 3.7) можно рассчитать величину остаточных напряжений при любой температуре полимерного покрытия. Известна зависимости модуля упругой деформации полиамида от температуры [5]:
Е = Е0еа(т°-Т}, (3.8)
где: Е0 - модуль упругой деформации при 20°С, Т - текущее значение температуры, а - коэффициент термического расширения. По данным исследований проведенных на кафедре «Сопротивление материалов» Санкт-Петербургского политехнического университета значение коэффициента а для капролона и смолы П - 54, равно 0,01; для полиамидной смолы П - 6/66, на основании исследований, проведенных в данной работе, определено его значение равным 0,015, [5].
Экспериментальные исследова-
ния показывают, что наиболее интенсивно процесс релаксации остаточных напряжений протекает в течение первых 20 - 30 часов после нанесения покрытия. В этот же период они интенсивно изменяются в зависимости от влаго-маслонасыщения и других факторов. Этот период по сравнению с продолжительностью всего периода службы узла трения весьма мал. В дальнейшем остаточные напряжения стабилизируются и могут быть выражены:
^ОСТ (3.9)
или подставляя значения О и Е из выражений (7) и (8),
а -(а -а )(т -Т )Ееа(то-т)•
иОСТ \аП аСтЛТ ПЛ 1 Р/Ее ;
(3.10)
Здесь Тр - температура при которой происходит релаксация напряжений.
Принимая во внимание зависимости (3) и (7) формулу для расчёта остаточные напряжений можно представить выражением:
^ОСТ - ^1^а(Т0-Т} • кНкМ (3.11)
где: кН и кМ - коэффициенты, учитывающие влияние наполнителей и мас-лонасыщение покрытия. Значения этих коэффициентов устанавливаются экспериментальным путем для каждого конкретного случая. Если величине о1 установлена после полного маслонасыще-ния образца с введенным в полимер наполнителем, то значения кН и кМ можно принять равным единице.
Экспериментально установленные зависимости величины остаточных напряжений от целого ряда эксплуатационных факторов, позволяют достаточно просто и достоверно определять их в полиамидных покрытиях подшипниковых узлов строительных и дорожных машин.
Для этого необходимо определить величину остаточных напряжений в полиамидном покрытии при нормальной температуре сразу после нанесения
покрытия, затем повторить замеры остаточных напряжений через время г1 и г2. Далее по формулам (4) и (6) определяется напряжение О1 , которое соответствует тому моменту, когда процесс релаксации закончится. По выражению
(3.11) определяется максимальное значение напряжений, соответствующее самой низкой температуре, при которой эксплуатируются машины - порядка минус 40 - 50°С.
Установленная зависимость изменения остаточных напряжений от температурных воздействий, проверена экспериментально,
На рис.3.1. пунктирной линией представлены графики зависимости остаточных напряжений от температуры, полученные расчётным путем по описанной выше методике сплошная линия
- результат эксперимента, Достаточно хорошее совпадение экспериментальных и расчётных данных свидетельствует о достоверности предлагаемой методики определения остаточных напряжений, применительно к сложным условиям эксплуатации строительных и дорожных машин.
Литература
1. Белый В.А. Полимерные покрытия / В.А. Белый, В.А. Довгяло, О.Р. Юркевич. Минск. Наука и техника. 1976. -416 с.
2. Шестаков В. М. Работоспособность тонкослойных полимерных покрытий / В. М. Шестаков. М., «Машиностроение». 1973. -с. 160
3. Санжаровский А.Т. Методы расчета внутренних напряжений в полимерных и лакокрасочных покрытиях./ А.Т. Санжаровский // ДАН СССР. т.185. -№1. -с.58-60.
4. Гольдберг И.И. 47 Механическое поведение полимерных материалов. / И.И. Гольдберг. -М.: Химия. 1970. -с.192.
5. Бабиков Д.Ф. Изучение статического сопротивления полиамидов при различном исходном состоянии и режиме нагружения. Автореферат диссертации к.т.н. -Л.: ЛПИ. 1968. -с.23.
1 Стукач Александр Васильевич. кандидат технических наук, доцент кафедры “Техническая механика” телефон: (812)248 71 18; +7 904 552 9715
